燃气喷嘴内部流道优化分析

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.83MB 68 页 15积分

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摘要

很多工程实际问题可以简化为流体在凹槽通道内流动和对流换热的问题，如：

工业换热器，燃气具的燃烧，微电子元件的冷却等。本文提出研究的凹槽通道内

的流动与换热问题，就是以具体一种U形管式的燃气喷嘴为例做研究的。本文主要

研究燃气喷嘴流道的形状优化问题，所分析的燃气喷嘴是樱花公司的燃气热水器

中的一种U型喷嘴。通过形状优化和出口形孔结构优化，使燃气与空气充分接触，

提高燃烧效率。

通过建模分析，将燃气喷嘴的内部流道做成实体，使用 Fluent 软件分析气动

流场，在设置燃气本身的性质参数后，进行模拟。通过模拟掌握在一定的进口压

力的同时，各出口压力的分布和流速。借助计算机对这种不规则流动进行有限元

分析计算，掌握气体压力、速度的连续变化，从而通过改变流道几何参数和出口

的形状和分布实现燃烧效率的提高。在 ANSYS 中对矩形出口进行 2-D 层流与紊流

分析，寻找优化线型使燃气出口压力损失达到最小。建立流道的实体模型，通过

Pro-e 中建立模型，在 HyperMesh 中划分网格，使用 Fluent 进行流动分析。气体在

喷嘴流道中流动状态的研究,由于气体的运动受到温度、压力、流道几何形状的影

响，因此首先必须掌握喷嘴部分的气体的动态特性。这包括两个方面：一是分析 U

型流道各部位的宽度不均匀状态下流动特性；二是分析燃气在喷嘴各出口的压力

和流速，优化流道几何形状和出口孔形的几何参数使燃气和空气充分混合，达到

提高燃烧效率的目的。

本文对燃气喷嘴流道中的流体流动的二维和三维模型进行了数值模拟。其中

在给出了流动的基本数学模型和相关的有限有算法外，通过CAE软件的分析，提

供了优化方案。由于本文所研究的对象是流道几何形状的改变影响到流场的分布，

具体之间的关系还是比较复杂的，所以对此还需要进一步的研究。

关键词：流动理论燃气喷嘴气动特性形状优化

ABSTRACT

A lot of practical Engineering problems can be simplified for the fluid flow

channel in the slot and the convection heat transfer problems, such as: industrial heat

exchanger, gas-fired combustion equipment, microelectronics and other cooling

components. This paper shows the study in the groove channel flow and heat transfer

problem, it is a U-shaped tube of the gas nozzle as an example. This paper studies the

gas flow channel nozzle shape optimization problem, the analysis of the gas nozzles are

cherry's gas water heater in a U-shaped. Optimize and export through the shape of

fractal pore structure optimized, allowing full access to gas and air, improve combustion

efficiency.

Through the modeling, the internal flow channel of gas nozzle will be molded into

entities, then use Fluent software to analysis aerodynamic flow field, after setting the

nature of the gas parameters do the simulation. Through simulation get the velocity and

pressure distribution of outlet und certain import velocity. We use computer do this

irregular movement of the finite element analysis and calculation, get gas pressure,

speed of continuous change, then improve combustion efficiency by changing the flow

channel geometry parameters and export shape and distribution. In ANSYS for a narrow

rectangular exports 2-D laminar flow and turbulent flow analysis, optimizing the linear

search so that gas exports to minimize pressure loss. Set up flow channel of the solid

model, through the Pro-e to create a model of division of HyperMesh grid flow analysis

carried out using Fluent. Gas flow in the nozzle flow state of research, because of gas by

the exercise of temperature, pressure, flow channel geometry of the impact, so we must

first grasp the nozzle part of the dynamic characteristics of gas. This includes two

aspects: First, analysis of U-flow channel width of various parts of the uneven state of

the flow characteristics; Second, analysis of the export of gas in the nozzle pressure and

flow, and optimize the flow channel geometry and export-hole-shaped geometric

parameters so that full of mixed gas and air to improve combustion efficiency.

In this paper, we do the simulation of two-dimensional and three-dimensional

model to reach flow of gas nozzle fluid channel, Through CAE analysis provides some

help to optimize the program. Because the object of study in this paper are flow channel

geometry changes affect the flow field distribution, the specific relationship between the

relatively is complex, so this also required further study.

Key Word: Flow theory, Gas nozzle, Pneumatic characteristic

property, Shape optimation

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 引言 ....................................................... 1

§1.2 燃气热水器研究的国内外现状 ................................. 3

§1.3 本文研究的工作 ............................................. 6

第二章气体流动理论 .................................................. 9

§2.1 流动理论概述 ............................................... 9

§2.2 二维通用微分方程 ........................................... 9

§2.3 可压缩与不可压缩流体讨论 .................................. 10

§2.4 流动模式分析 .............................................. 11

§2.5 数值计算步骤 .............................................. 13

§2.6 压力修正方程 .............................................. 17

§2.7 数值计算步骤 .............................................. 20

§2.8 本章小结 .................................................. 20

第三章燃气喷嘴出口二维形状参数优化设计 ............................. 21

§3.1 概述 ...................................................... 21

§3.2 物理模型与问题的数学描述 .................................. 21

§3.3 网格与时间步长考核 ........................................ 23

§3.4 数值计算结果和分析 ........................................ 24

§3.4.1 基本流动图型和讨论 ................................... 24

§3.4.2 优化方案的选择和讨论 ................................. 26

§3.4.3 结果与讨论 ........................................... 29

§3.5 本章小结 .................................................. 29

第四章燃气喷嘴内部三维形状参数优化设计 ............................. 31

§4.1 喷嘴内部形状优化的目的 .................................... 31

§4.2 物理模型和问题的数学描述 .................................. 31

§4.3 网格与时间步长考核 ........................................ 35

§4.4 数值计算结果和分析 ........................................ 36

§4.4.1 燃气喷嘴流道三维模型的建立 ........................... 36

§4.4.2 燃气喷嘴出口部分的分析和讨论 ......................... 38

§4.4.3 经过 U 形管部分流体运动特点 ........................... 42

§4.4 本章小结 .................................................. 42

第五章燃气喷嘴成形分析 ............................................. 43

§5.1 有限元法概述 .............................................. 43

§5.2 有限元分析过程 ............................................. 44

§5.3 板壳单元 ................................................... 45

§5.3.1 平面应力问题 ......................................... 46

§5.3.2 薄板弯曲问题 ......................................... 47

§5.4 强度理论 ................................................... 51

§5.5 成形分析 .................................................. 53

§5.6 本章小结 .................................................. 54

第六章结论和展望 ................................................... 55

主要符号表 .......................................................... 57

无量纲准则数 .................................................... 57

英文字母 ........................................................ 57

希腊字母 ........................................................ 58

上标 ............................................................ 59

下标 ............................................................ 59

参考文献 ............................................................ 60

在读期间公开发表论文和参与的科研项目 ................................ 64

致谢 ............................................................... 65

第一章绪论

§1.1 引言

随着我国经济的发展，能源问题越来越被重视。针对经济日益增长过程中存

在的众多问题，尤其是环境破坏、能源短缺问题，我国政府明确提出“节能减排”

的方针。在“十一五”规划中，首次提出对经济增长的考核，必须将经济增长、

节能降耗、环境评价三项指标结合起来。显而易见，如何节约能源和提高能源利

用效率，已成为当前及未来经济发展中必须重点解决的核心课题。

目前我国的国产燃气炉热效率还不高，燃气热水器新国标于 08 年 7 月 1 日正

式实施之后，国内燃气热水器产品整体水平提高一个层次，符合燃气具节能、环

保已成必然趋势。目前，我国大中城市居民家庭燃气灶普及率超过 80%，但国家权

威机构检测的情况报告显示，目前国产嵌入式灶具的热效率最高只达到 51%。与此

同时，燃气灶的烟气中一氧化碳含量偏高，部分甚至达到 0.04%以上。此外，我国

现行的燃气灶标准只对排烟中一氧化碳含量作了限制，而对烟气中的 NOx(氮氧化

物)含量却没有要求。因此，对燃气热效率的提高的研究还需要从各个方面深入研

究，还有许多创新性工作要做。

图 1.1 燃气热水器构造

Fig.1.1 Structure of gas water heater

燃气热水器所用的燃气有液化石油气、人工煤气和天然气。一般由水路、燃

气、热交换、安全、排烟 5 个系统组成，见图 1.1。具体结构见图 1.2。水路系统

内设置水阀和水管，用以向热水器供水。燃气系统内设置燃气调气阀、点火器、

燃烧器和水气联动阀，用以将通入的燃气点燃，并使之正常燃烧。热交换系统内

燃气喷嘴内部流道优化分析

设置燃烧室和热交换器，通过燃气燃烧产生的热能将冷水加热。排烟系统内有排

烟罩和烟道，用以将换热后的废气排掉。安全系统内设有安全阀，用以在火熄灭

时切断燃气，保证安全。

图 1.2 燃气热水器实物

Fig.1.2 Solid of gas water heater

燃气热水器的发展经历了直排、烟道、强排、鼓风、平衡等阶段。根据国家

现行规定，目前国内只能生产和销售强排以上机型。近年来，我国燃气热水器产

业发展迅速，已经拥有万家乐、樱花、创尔特、万和、华帝、前锋、海尔、樱雪 8

个中国名牌燃气热水器。

按目前炉灶热效率为 50%的水平计算，相同热流量的产品，若热效率提高 5%，

如果每个用户按月消耗 10 公斤液化石油气，按全国 10 万户用户使用燃气计算，

则一年至少可以节省 12 万吨液化石油气。因此，提高燃烧效率是节能的有效方式。

目前，提高燃烧效率主要从燃气燃烧的机理出发，采用螺旋式进气的方式，

优化燃气和空气的配比；采用小孔多喷嘴的设计，使燃气与空气以最佳比例混合，

最大限度降低一氧化碳等有害气体的排放；采用进气控制阀与风门联动的结构设

计，降低燃烧的热损耗，达到节能的目的。图 1.3 就是一种冷凝式上进气和下进

气结构图。

长期以来，研究人员都在对燃烧器进行各种各样的改进，但是由于不同的燃

烧器其工作状况不一样，所以它们的结构形式五花八门。本文所研究的是基于昆

山樱花公司日用燃气具的燃气喷嘴形式，这只是各种形式燃烧器其中的一种，但

是它在家庭日用中用量较大，对燃气的总消耗量也很大巨大，因此，提高燃气喷

嘴形式热水气的燃烧效率对于节约能源意义重大，同时也可以为其他形式热水器

节能提供参考。

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摘要：

摘要很多工程实际问题可以简化为流体在凹槽通道内流动和对流换热的问题，如：工业换热器，燃气具的燃烧，微电子元件的冷却等。本文提出研究的凹槽通道内的流动与换热问题，就是以具体一种U形管式的燃气喷嘴为例做研究的。本文主要研究燃气喷嘴流道的形状优化问题，所分析的燃气喷嘴是樱花公司的燃气热水器中的一种U型喷嘴。通过形状优化和出口形孔结构优化，使燃气与空气充分接触，提高燃烧效率。通过建模分析，将燃气喷嘴的内部流道做成实体，使用Fluent软件分析气动流场，在设置燃气本身的性质参数后，进行模拟。通过模拟掌握在一定的进口压力的同时，各出口压力的分布和流速。借助计算机对这种不规则流动进行有限元分析计算，掌握气体...

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